ISOTOPES RADIOACTIFS

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1 APPROCHE DOCUMENTAIRE STRUCTURE DE LA MATIERE ISOTOPES RADIOACTIFS Questions sur des notions simples du programme en lien avec la thématique : 1. Comment définit-on un élément chimique? 2. Qu est-ce qu un isotope? 3. Qu appelle-t-on radioactivité? Analyse de documents : Objectifs : interpréter le rôle des interactions de faible énergie dans la structure tridimensionnelle de l ADN. Document 1 : article sur les isotopes radioactifs Document 2 : fiche d exploitation des documents Question ouverte sur le thème : 1. Quel est l'intérêt de la tomographie à émission de positons par rapport à la scintigraphie classique? 2. Lors d'un scanner, on peut injecter une solution contenant de l'iode, appelé agent de contraste, pour mieux voir les vaisseaux sanguins. S'agit-il d'iode radioactif? Expliquer les différences avec la scintigraphie de la thyroïde. 1/11

2 Document 1 : ARTICLE A PROPOS DES ISOTOPES RADIOACTIFS Historique L'histoire de la médecine nucléaire est liée à celle de la physique nucléaire, notamment la découverte de la radioactivité naturelle par Henri Becquerel. Les rayonnements, β et γ ont ensuite été caractérisés. Le travail de Georg von Hevesy a été primordial dans le développement des isotopes radioactifs comme indicateurs en biologie. Il découvre en 1923 la méthode des traceurs radioactifs. Hevesy habite alors dans une pension de famille à Manchester, et il soupçonne qu'on y ressert les restes. Il ajoute du radium D au ragoût et suit sa réapparition sous forme de hachis Parmentier, puis de soupe. Cette ingénieuse application de la méthode isotopique lui vaut d'être renvoyé de la pension. Il a montré en 1934 l'intérêt du phosphore radioactif comme traceur en biologie et a reçu en 1943 le prix Nobel de Chimie pour l'ensemble de ses travaux sur les indicateurs radioactifs. En 1924, en injectant du radium C dans un bras, deux médecins américains, Blumgart et Weiss, mesurent la vitesse de circulation entre un bras et l'autre, ainsi que les variations de cette vitesse chez les malades cardiaques. C'est la première utilisation des indicateurs chez l'homme. Avant 1934, l'analyse biochimique des constituants d'un tissu ou d'un organe est peu sensible et, surtout, statique. Après 1934, l'étude des tissus et des cellules accède au mouvement. On fabrique des radioisotopes de presque tous les éléments intervenant en biologie (hydrogène, carbone, phosphore, soufre,...) et leur activité est si faible que leur emploi ne perturbe pas les phénomènes biochimiques. Des informations sur la localisation de ces isotopes radioactifs dans les cellules et les tissus, leur devenir biochimique, les vitesses de renouvellement des constituants de la matière vivante sont alors obtenues. Les avancées de la biologie seront alors fulgurantes. Les sondes radioactives (par exemple, des anticorps marqués) repèrent, dans une cellule, une molécule ou une portion de gène. En utilisant des précurseurs radioactifs de l'adn, on précise l'instant où la cellule duplique son ADN, ainsi que la durée du cycle cellulaire. On mesure aussi la vitesse de prolifération des cellules et on étudie les mécanismes qui maintiennent leur nombre constant et qui président à la régénération tissulaire après lésion. De nombreux organes ont pour fonction la synthèse d'une molécule spécifique à partir d'éléments chimiques présents dans l'organisme. Ainsi, dans la moelle osseuse, à partir du fer, les précurseurs des globules rouges produisent l'hémoglobine, molécule qui transporte l'oxygène dans le sang. Ceci permet d'évaluer l'activité d'un organe en utilisant un isotope radioactif adapté. A l'aide de l'isotope du fer, on mesure la synthèse de l'hémoglobine et donc le nombre de globules rouges formés par unité de temps. Plus les globules rouges formés sont nombreux, plus grandes seront les quantités d'hémoglobine synthétisées, et donc de fer utilisées. Par comptage externe des rayonnements émis par l'isotope radioactif, on évalue l'activité des os du squelette. II. Radionucléides utilisés en biologie médicale Les principaux émetteurs γ et β utilisés en biologie médicale sont répertoriés Tableau 1. Nucléides période pic détecté émetteur Activité spécifique 125 I 60 jours 35 kev γ 81,4 TBq.mmol I 25 minutes 443 kev γ I 8 jours 365 kev γ 592 TBq.mmol -1 2/11

3 57 Co 271,4 jours 122 kev γ 148 kbq.mmol -1 3 H 12,3 ans 18,5 kev 1110 GBq.mmol C 5730 ans 157 kev 2,59 GBq.mmol S 87 jours 0,167 kev 55,5 TBq.mmol P 14,2 jours 1,71 kev 370 MBq.mmol -1 Tableau 1. Caractéristiques des principaux radio-isotopes émetteurs γ. L'utilisation de radio-isotopes émetteurs γ à base d'iode est très répandue dans le domaine médical. La matière première indispensable à la fabrication de l'hormone thyroïdienne est l'iode, que la thyroïde puise dans le sang ; cette hormone est indispensable à la croissance. A chaque instant, la thyroïde prélève dans le sang autant d'iode, sous forme d'ions iodures qu'elle en sécrète sous forme hormonale ; les quantités d'iode présentes dans le sang ou la thyroïde restent donc constantes. L'utilisation d'iode radioactif permet de suivre le métabolisme de l'iode et de mesurer la quantité d'iode synthétisée. On explore la fonction thyroïdienne au moyen de l'iode 128 (période radioactive : 25 minutes), de l'iode 131 (période radioactive : 8 jours) ou de l'iode 125 (période radioactive : 60 jours). On injecte de l'iode marquée, qui se mélange à son isotope non radioactif et que la thyroïde utilise pour produire des hormones (Figure 2). Figure 2. Exploration de la thyroïde : on injecte de l'iode marquée, qui se mélange à son isotope non radioactif et que la thyroïde utilise pour produire des hormones. La période radioactive, la nature et l'énergie des rayonnements émis de l'iode 125 facilitent la détection et minimisent les contraintes de radioprotection. L'iode 125 se désintègre par capture électronique en tellure 125. Le retour du niveau excité au niveau fondamental du se traduit par l'émission d'un rayonnement γ. (Figure 3). III. Production des radionucléides III.1 Cyclotron 3/11

4 En 1930, Ernest Lawrence construit le premier cyclotron. Le cyclotron est un instrument permettant d'accélérer des particules pour les projeter sur des noyaux cibles et produire des radioisotopes (Figure 4). Les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et sont accélérées par un champ électrique alternatif à des énergies de quelques MeV à une trentaine de MeV. III.2 Réacteur nucléaire La découverte de la fission nucléaire par Otto Hahn et Fritz Strassmann, en 1938, a permis également la production de radioisotopes. La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus légers (Figure 5). Cette réaction nucléaire se traduit aussi par l'émission de neutrons et un dégagement d'énergie très important ( 200 MeV, à comparer aux énergies des réactions chimiques qui sont de l'ordre de l ev). III.3 Cas de l'iode 125 L'iode 125 provient généralement du bombardement du xénon gazeux (contenant 0,0965 % 124 Xe) par des neutrons dans un réacteur. Lors de l'irradiation, plusieurs radionucléides du xénon sont produits, tels que 125 Xe. Ces derniers se désintègrent en 125 I. III.4. Cas du technétium 99m Il s'agit de l'isotope le plus utilisé en imagerie médicale nucléaire, de période 6 heures, émettant des rayonnements γ. Il est issu de la fission de l'uranium 235 dans les réacteurs nucléaires afin de produire le molybdène 99 (période : 66 heures). Ce dernier se transforme spontanément en technétium 99m. 4/11

5 IV. Obtention des traceurs radioactifs (ou molécules marquées) IV.1 Principe De l'association radionucléide - matière résulte le traceur radioactif (ou molécule marquée). Un radiomarquage comporte plusieurs étapes : le marquage (fixation du radionucléide sur la molécule), la purification, la vérification des qualités du substrat marqué (conservation de son immunoréactivité ou de sa distribution tissulaire, sa réactivité). La médecine nucléaire in vivo consiste à administrer au malade une molécule marquée à l'aide d'un isotope radioactif, choisi selon ses propriétés chimiques, mais aussi selon la nature du rayonnement qu'il émet. Cette molécule est choisie selon sa possibilité de «tracer» une fonction métabolique ou physiologique spéciale. L'isotope radioactif est fixé sur la molécule intéressante par un couplage chimique. Cette étape radiochimique est délicate, car l'adjonction du traceur radioactif ne doit pas modifier les propriétés immuno-chimiques ou physico-chimiques de la molécule considérée. La liaison doit être forte pour éviter que le radioélément ne s'en détache. Comme un atome radioactif a les mêmes propriétés chimiques que l'atome stable, sa présence en quantités infimes (pour ne pas perturber les fonctions étudiées, ni léser les tissus) dans un organisme révèle le devenir de tous les atomes de son espèce chimique. L'imagerie consiste à localiser le produit radiopharmaceutique par une détection externe, tout en minimisant la dose d'irradiation reçue par le sujet. Les atomes radioactifs se diluent dans le flux des atomes stables de l'organisme et, tout en étant indiscernables chimiquement, ils sont détectés grâce au rayonnement qu'ils émettent (le plus souvent rayonnement γ). L'énergie du photon γ est également un paramètre important : quand son énergie est trop faible, le rayonnement est absorbé dans le corps, mais lorsqu'elle est trop forte, les photons traversent le détecteur sans interagir avec lui. Des émetteurs de positrons sont également utilisés. Ces positrons émettent deux photons γ en s'annihilant avec un électron. Outre la nature de la radioactivité, la période radioactive du radioélément (Tableau 1) présente son importance : elle doit être suffisamment longue pour permettre de suivre le processus physiologique considéré et suffisamment courte pour éviter une irradiation inutile. Cette partie sera illustrée à l'aide d'exemples concernant l'iode radioactif dans le cas de l'étude de la thyroïde. IV.2 Molécule à marquer Du point de vue de ses propriétés chimiques, il doit y avoir identité totale entre la molécule marquée et la molécule froide. Deux cas peuvent se présenter : - soit le substrat contient un ou plusieurs atomes d'iode, qu'il suffit alors de substituer par de l'iode radioactif. C'est le cas des hormones thyroïdiennes G3 (Figure 6) et G4 (Figure 7). - soit on substitue un ou plusieurs atome(s) d'hydrogène par des atomes d'iode sur un noyau aromatique substitué (tyrosyl, par exemple), sur un hétérocycle ou sur un groupement thiol 5/11

6 Figure 8. Résidus susceptibles d'être iodés par substitution électrophile. IV.3 Radionucléide Pendant de nombreuses années, l'iode 131 a été le traceur idéal pour l'étude de la thyroïde. L'iode 125 est de plus en plus couramment utilisé. En ce qui concerne les hormones protéiques et polypeptidiques, l'iodation, méthode de choix, faisait autrefois plus volontiers appel à l'iode 131 du fait de son activité spécifique théorique élevée. Mais, l'iode 125 est maintenant préféré car l'abondance isotopique des solutions produites par les industriels est supérieure à celle de l'iode 131, 95% et 20%, respectivement. De plus, l'activité spécifique effective du produit marqué à l'iode 131 est inférieure : pour un atome d'iode 131 fixé, il se fixe de 3 à 5 atomes d'iode non radioactifs. Un comparatif des propriétés de l'iode 125 et 131 en terme de période, activité spécifique théorique, activité théorique effective, abondance isotopique, rendement de comptage est reporté Tableau 2. La demi-vie de 60 jours de l'iode 125 est un avantage supplémentaire sur l'iode 131 : cette période est assez longue pour la conservation du produit marqué et assez courte pour l'élimination des déchets. 125 I Période (jours) 60 8 Activité spécifique théorique (TBq.mmol 1 ) 81,4 592 Activité spécifique effective (TBq.mmol 1 ) 81,4 118,4 Abondance isotopique (%) 95 à Rendement de comptage 1 (%) Tableau 2. Récapitulatif comparatif des propriétés des isotopes de l'iode 125 et 131. IV.4 Techniques de marquage L'iode peut exister sous plusieurs degrés d'oxydation (Tableau 3). Degré d'oxydation Formes moléculaires I I 0 I + I 5+ I 7+ Tableau 3. Différents degrés d'oxydation de l'iode. iodure iode élémentaire IO 3 (iodate) IO 4 (periodate) Or, c'est uniquement dans les états d'oxydation I 0 et I + (iode actif) qu'il est susceptible de réagir au cours d'une substitution électrophile. L'étape de marquage fera donc appel à une oxydation de l'iodure. La substitution électrophile se fait par effet inducteur-donneur du groupement OH. Il apparaît une charge négative partielle δ- on ortho du groupement OH, le sommet en para étant bloqué par le substituant R (Figure 9). 131 I 1 Le rendement de comptage est le rapport entre le nombre de coups détéctés par minute et le nombre de désintégrations par minute de l'isotope radioactif. 6/11

7 Figure 9. Mécanisme de la substitution électrophile sur un résidu tyrosyl. V. DETECTION, IMAGERIE MEDICALE Dans une radiographie, le faisceau de rayons X traverse l'organisme, et on observe des différences d'absorption. En imagerie médicale par radioisotopes, les radiations sont émises par le tissu qui fixe les isotopes et on mesure les variations de concentration. L'utilisation d'émetteurs γ présente l'avantage de posséder une facilité de détection. Plusieurs techniques de détection sont actuellement mises en œuvre, notamment dans l'observation de la thyroïde. 7/11

8 V.1. Compteur Geiger-Müller Le compteur Geiger-Müller est constitué par un cylindre métallique ayant en son axe un fil conducteur isolé et mince porté à un potentiel positif par rapport au corps du compteur. Ce fil constitue l'anode et le cylindre, la cathode. Un gaz rare, généralement un mélange d'argon et d'hélium remplit ce compteur sous environ une atmosphère et constitue le milieu ionisant sur lequel agissent les particules à détecter. Mécanisme de l ionisation ; propagation puis arrêt de la décharge Ionisation primaire : La particule chargée pénétrant dans le détecteur perd son énergie E en ionisant le gaz tout au long de sa trajectoire. Elle crée des paires ion-électron primaires. Les ions se dirigent vers la paroi, les électrons vers le fil central. Multiplication et collection des électrons : avalanche Si la différence de potentiel entre anode et cathode est suffisante, le champ électrique au voisinage du fil central, l'anode, est assez intense pour communiquer aux électrons, dont la masse est très faible, une vitesse telle qu'ils ionisent à leur tour les atomes du gaz de remplissage. Les électrons se multiplient au voisinage du fil central. Si le champ électrique est élevé, les atomes ionisés par les électrons secondaires se trouvent dans des états excités. Ils retournent à leur état fondamental en émettant des photons qui peuvent arracher des électrons à la cathode par effet photoélectrique. La décharge se propage et s'auto entretient. Fin de la décharge En fait, le nombre d ions créés n est pas infini car la décharge s arrête d'elle-même ; en effet, l'ionisation s'effectuant essentiellement au voisinage de l'anode où le potentiel est très élevé, il se forme autour de celle-ci une gaine d'ions dont le déplacement vers la cathode est très lent. Cette gaine forme rapidement (10-7 s) un écran électrostatique qui abaisse le potentiel inter électrodes. La multiplication des électrons cesse et la décharge prend fin. V.2 Compteur à scintillation - Scintigraphie En 1952, le compteur Geiger-Müller, peu sensible, est remplacé par un compteur à scintillations. Cette méthode, nommée la scintigraphie, constitue un progrès en imagerie médicale : elle fournit des images de nombreux organes et en révèle les hétérogénéités. Dans un scintillateur, les électrons primaires produits par l'ionisation entraînent la formation de photons, souvent dans le domaine du visible. Il existe des scintillateurs plastiques, organiques et inorganiques, les plus utilisés en médecine. Le plus connu est l'iodure de sodium NaI, dopé au thalium Th. Dans un cristal, les niveaux d'énergie sont répartis dans une bande de valence et dans une bande de conduction, en général vide de tout électron. Dans un cristal ionique, ces deux bandes sont très éloignées d'un point de vue énergétique, par une bande 8/11

9 dite interdite (et donc ce type de cristal n'est pas conducteur). Les impuretés du thallium introduisent des niveaux d'énergie entre la bande de valence et la bande de conduction. Le passage d'une particule ionisante va porter plusieurs électrons dans la bande de conduction ; ceux-ci rejoignent alors la bande de valence en émettant des photons visibles. Le nombre de photons émis est proportionnel à l'énergie déposée par la particule ionisante. Il existe également des scintillateurs à gaz, l'émission des photons se fait plutôt dans l'ultra violet. Détection des photons émis. Les photons émis réagissent par effet photoélectrique sur la photocathode du photomultiplicateur. Les électrons émis sont ensuite accélérés puis subissent des passages successifs dans un système de dynodes qui les multiplie. L amplitude de l impulsion mesurée au niveau de la dernière dynode est proportionnelle au nombre d électrons émis par la photocathode ; celui-ci est luimême proportionnel au nombre de photons émis par le scintillateur, qui lui est proportionnel à l énergie absorbée par le scintillateur. On accède ainsi à une mesure de l énergie de la particule incidente. 9/11

10 V.3. Progrès : la caméra à scintillation (ou gamma caméra) Un nouveau progrès survient en 1956 quand H. points de la région étudiée. Elle permet de suivre Anger construit la caméra à scintillations (ou l'évolution de la radioactivité des différentes gamma caméra) qui permet d'acquérir les images régions d'un organe, donc de calculer l'activité (Figure 12). La caméra possède une collimation fonctionnelle de chacune de ses régions. La spatiale composée d'un collimateur à trous caméra détecte et comptabilise la position des parallèles permettant la sélection des photons γ photons acceptés à l'aide d'un écran scintillateur frappant le collimateur de façon perpendiculaire (transformant les photons γ en photons visibles), à sa surface ; les photons diffusés sont éliminés. d'un système électronique et d'un logiciel. La collimation est essentielle pour déterminer l'origine des photons, puisqu'une focalisation optique est impossible pour les photons énergétiques. En ne conservant que les photons parallèles à l'axe, on réalise une projection de la source d'émission (organe) sur le détecteur de la caméra. Ensuite, une collimation énergétique évalue l'énergie des photons γ et ne retient que ceux ayant l'énergie du radio-traceur. Un large cristal à scintillations transforme les rayonnements des isotopes en photons lumineux, tandis qu'un réseau de photomultiplicateurs Figure 12. Schéma de principe d'une caméra à localise les scintillations et donc les sources scintillations. émettrices. Outre sa sensibilité, cette caméra a l'avantage de révéler simultanément tous les 10/11

11 Les images obtenues à l'aide des gamma caméras correspondent à une projection sur un plan de la radioactivité dans l'organe. Actuellement, des images en trois dimensions peuvent être obtenues grâce à la tomographie. A partir de 1970, l'introduction des ordinateurs a ouvert la voie au traitement de l'image numérique : traitement des images, analyse factorielle des images, superposition des images obtenues avec des isotopes à celles d'un scanner ou d'un appareil de résonance magnétique. L'imagerie s'est également perfectionnée avec les caméras à positrons, qui détectent l'émission de deux rayonnements γ émis à 180 degrés l'un de l'autre lors de la destruction d'une paire positron-électron (tomographie par émission de positrons). CONCLUSIONS En médecine nucléaire, l'utilisation de traceurs radioactifs est source d'informations à différentes échelles. Nous avons développé dans ce dossier principalement la notion de méthode de diagnostique, mais les radionucléides possèdent également une application thérapeutique. Cette discipline est en plein essor, avec notamment la découverte de nouveaux produits radiopharmaceutiques, sources d'informations supplémentaires. Les nouvelles sondes radioactives amélioreront encore le diagnostic. Les sondes radioactives à courte durée de vie sont des outils essentiels à l'étude des matériaux inorganiques et organiques : elles permettent de caractériser le rôle des impuretés à très faible concentrations. Les progrès dans la fabrication des sondes radioactives amélioreront les connaissances sur les processus microscopiques au sein de la matière. Les sondes carbone 11, oxygène 15 et fluor 18 servent couramment à étudier les pathologies du cerveau. On commence à utiliser le brome 76 pour étudier, avec une caméra à positrons, les récepteurs des informations transmises par les neurones. Document 2 : FICHE D EXPLOITATION 1. Pourquoi la radioactivité alpha n'est pas utilisée en imagerie médicale? 2. Pour une scintigraphie de la thyroïde, on injecte de l'iode 123 ayant une période de 13h. Quelle quantité (masse) doit-être injectée à un patient de 70kg pour obtenir une activité initiale de 0,1 MBq.kg Au bout de combien de temps peut-on négliger la radioactivité due à l'administration d'iode radioactif, sachant que la radioactivité naturelle du corps humain est de Bq environ pour une personne de 70 kg. 4. Quelle grandeur mesure un compteur Geiger? 5. Les radionucléides utilisés dans le domaine médical sont tous artificiels. Pourquoi? Comment peut-on fabriquer des éléments radioactifs. 11/11